Термические способы усиления грунтов под подошвой фундамента. Теория усиления оснований и фундаментов

Укрепление грунтов в близи фундамента может потребоваться как при новом строительстве, так и при ремонте уже существующего фундамента здания. Усиление основания необходимо для повышения несущей способности опорной части дома, предотвращения равномерных и неравномерных деформаций, появления трещин.

Своевременные мероприятия по усилению грунта позволят продлить срок службы фундаментов, предотвратить или отсрочить появление различных повреждений (трещины, сколы). Методов проведения работ существует большое количество. Выбор между ними зависит от масштаба проблемы и типа грунта на участке. К основным способам можно отнести:

• механический;
• электрохимический;
• инъектирование;
• термический;
• электроосмос.

При выполнении любых мероприятий необходимо руководствоваться СП 45.13330.2012, пунктами 16 и 17.

Такой вариант подойдет для стабилизации грунта при новом строительстве. Использовать его для ремонта затруднительно без разборки фундаментов. Для предотвращения подвижек и деформаций можно применять один из следующих способов механических воздействий на почву:

• Частичная замена грунта и устройство песчаных подушек. Чтобы усилить очень слабые грунты таким методом, потребуется вложить много усилий. Но для не достаточно прочных оснований вариант поможет предотвратить деформации и ослабить воздействие морозного пучения.
• Трамбовка и уплотнение . Мероприятия проводятся с помощью катков или виброинструментов. Также возможно укрепить грунт плитами, сбрасываемыми с большой высоты.
• (цементация путем смешения цементного раствора с грунтом буросмесительным способом). Этот способ активно используется при строительстве подземных сооружений, защите склонов от обрушения. Суть заключается в том, что одновременно с работой бура в грунт подается закрепляющий раствор, который перемешивается с почвой и застывает. Вариант подойдет для слабых торфяных грунтов. Вместо грунтоцементных свай иногда используют железобетонные буронабивные. Шаг элементов назначается небольшим, они устанавливаются практически вплотную друг к другу.

Механические методы укрепления грунтов достаточно трудоемки и требуют наличия специальной техники. При строительстве своими руками в большинстве случаев они не применимы.

Электрохимический способ для глинистых и илистых почв, пылеватых песков

В этом случае в почву через трубы подаются специальные химические вещества. Одновременно выполняются три действия:

• прохождение электрического тока через грунт;
• подача в грунт растворов солей через электрод со знаком «+» (анод);
• откачка грунтовой воды через электрод со знаком «-» (анод).

При прохождении электрического тока область закрепления грунта насыщается различными солями. Почва при этом уплотняется. Среди всех способов закрепления основания под строящимися или существующими фундаментами электрохимический можно назвать одним из самых дешевых. Но увеличение стоимости электроэнергии приводит к повышению затрат на строительные работы.

Инъектирование сыпучих грунтов и болотистых почв

Метод актуален при необходимости укрепления песков и крупнообломочных пород. Суть заключается в введении в основание специального вяжущего вещества, которое надежно скрепляет сыпучий или слабый материал в единое целое. Перед выполнением работ стоит ознакомится с пособием к СНиП 3.02.01-83 по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве.

К преимуществам использования инъекционных установок можно отнести: малые габариты техники, сокращение буровых работ, возможность применения для труднодоступных мест и стесненных участков и высокую производительность. В зависимости от используемого раствора рекомендуемая область применения отличается:

• Цементация и битумизация инъекторами подойдут для связывания крупнообломочных и гравийных почв, размер фракции которых достаточно велик. В качестве рабочего материала также иногда используют глину с высокой прочностью.
• Силикатизация позволит усилить песчаные основания любой фракции. Закрепление грунта в этом случае проводится жидким стеклом. Также вариант применим для лессовых отложений. При выполнении мероприятий жидкое стекло можно заменить на смолу. Точный состав раствора для укрепления зависит от типа почвы.

Цементация грунта инъекцией.

Чаще всего раствор нагнетается в почву инъекторами через заранее пробуренные скважины. Основное оборудования для производства работ представлено буровыми установками, мощными насосами и миксерами для приготовления раствора.

Важно, чтобы частицы цемента свободно проходили между частицами основания. По этой причине метод нагнетания цемента, битума или жидкого стекла не подойдет для глинистых почв. Эти породы не пропускают даже воду.

Подбор раствора для выполнения мероприятий станет достаточно сложной задачей. Лучше доверить такое усиление фундаментов профессионалам. Кроме привычных составов возможно применение микроцементных и геополимерных растворов.

Термическое закрепление лессов

Для выполнения задачи применяются раскаленные газы. По этой причине усиливаемая порода должна обладать высокой газопроницаемостью. Грунты обжигают двумя методами:

• под отдельно стоящие фундаменты здания (столбы, сваи);
• весь массив под домом.

В обоих вариантах для термической обработки используют скважины, в которые помещается камера сгорания для топлива (солярка, горючий газ). Во втором случае скважины размещают так, чтобы границы зон упрочнения соприкасались.

Топливо моет сжигаться только в верхней части скважины или поочередно по всей ее высоте. Здесь все зависит от имеющегося оборудования. Во втором случае оно должно позволять перемещать камеру сгорания.

Температура обработки лессов не должна превышать 750-850°С. В противном случае порода станет непроницаемой для газов. Средняя продолжительность воздействия высоких температур составляет 5-12 суток. В результате принятых мер структура основания уплотняется, появляются прочные структурные связи, устойчивые к воздействию влаги.

Электроосмос для глин

Из-за низкой проницаемости глинистых оснований их усиление другими методами может быть затруднено. Способ электроосмоса отлично подойдет для водонасыщенных грунтов. Метод схож с электрохимическим, но не подразумевает использования специальных растворов.

При электроосмосе связанная вода стремиться к отрицательному электроду.

В грунт погружают два электрода (положительный и отрицательный). При пропускании тока происходит частичное уплотнение структуры. Связанная с почвой влага скапливается у отрицательного катода. Электрод должен быть выполнен в виде перфорированной трубы, через которую можно выполнить откачку жидкости.

Степень уплотнения зависит от времени воздействия электрического тока на основание. Одновременно метод позволяет укрепить основание и осушить его. Стержень-анод после выполнения работ частично разрушается.

Грамотное укрепление грунтов на этапе строительства или реконструкции позволит увеличить срок эксплуатации всего дома. Перед началом работ потребуется выполнить геологические изыскания и определить тип грунта на участке. При этом стоит руководствоваться ГОСТ «Грунты. Классификация».

Совет! Если вам нужны подрядчики, есть очень удобный сервис по их подбору. Просто отправьте в форме ниже подробное описание работ которые нужно выполнить и к вам на почту придут предложения с ценами от строительных бригад и фирм. Вы сможете посмотреть отзывы о каждой из них и фотографии с примерами работ. Это БЕСПЛАТНО и ни к чему не обязывает.

Цементацию грунтов применяют при проходке стволов шахт, усилении оснований фундаментов существующих зданий, для во-доподавления и создания защитной цементной оболочки в грунте вокруг обделки сооруженного тоннеля. Процесс заключается в нагнетании под давлением через пробуренные скважины цементных, цементно-глинистых или глинисто-цементных растворов, которые заполняют трещины, пустоты и поры в грунтовом массиве, что приводит к ликвидации или резкому сокращению водопритока. Наилучший эффект цементация дает в трещиноватых скальных грунтах, в валунно-галечниковых отложениях и гравелистых грунтах при скорости движения грунтовых вод до 300 м/сут и удельном во-допоглощении не менее 0,5 л/мин. Не поддаются цементации мелкозернистые пески, плывуны, глинистые грунты.

Различают два вида цементации: предварительную, осуществляемую до проходки выработки через скважины, пробуренные с поверхности или из забоя выработки, и последующую, выполняемую после проходки и закрепления выработки с целью заполнения оставшихся пустот.

При цементации с поверхности (рис. 90, а) скважины располагают на расстоянии 2-2,5 м от стены будущей выработки. Расстояние между скважинами 2-3 м.

Глубина цементационных скважин зависит от размеров зоны цементации. Скважины бурят и породы цементируют в несколько приемов (зонами), в пределах 10-15 м. После окончания цементации (через 1-3 сут) цементную пробку разбуривают и скважину углубляют для подготовки к цементации следующего участка.

При цементации пород из забоя (рис. 90, б) скважины располагают на расстоянии 0,5-1 м от крепи через 0,8-1,5 м одну от другой под углом.

Рис. 90. Схема цементации грунтов перед проходкой ствола шахты: а-с поверхности земли; б - из забоя ствола; 1 - контур ствола; 2 - цементационная скважина (заштрихована зона нагнетания уплотняющего слоя цементного раствора); 3 - растворомешалка; 4 - растворовасос; 5 - цементационный трубопровод; 6 - тампонная перемычка: 7 - обратный трубопровод (при циркуляционном способе нагнетания раствора)

Для приготовления цементационных растворов применяют растворосмесители, а нагнетание производят цементными растворонасосами. Применяют также передвижные (смонтированные на автомобилях) цементационные установки, оборудованные смесительными баками, гидравлическими цементомешалками, водяными и цементационными насосами.

Цементацию можно вести нисходящими заходками, когда бурение и нагнетание производят последовательно участками сверху вниз, и восходящими заходками, когда скважины бурят сразу на полную глубину, а раствор нагнетают с одновременным подъемом инъектора.

Очередность нагнетания раствора в скважины устанавливается проектом в зависимости от характера трещиноватости и водоносности пород. Цементацию заканчивают, когда удельное водопоглощение пород не превышает 0,05 л/мин на 1 м длины скважин.

Химическое закрепление грунтов

При строительстве метрополитенов химическими методами закрепляют грунты под фундаментами зданий и сооружений, расположенных вблизи трассы метрополитена, с целью защиты от возможных осадок при проходке тоннелей закрытым способом, а также для защиты подземных коммуникаций от просадок и в некоторых других случаях.

Процесс заключается в нагнетании в грунт под давлением (через систему инъекторов или скважин) водных растворов силиката натрия (жидкого стекла) с отвердителем или синтетической смолы с отвердителем. В первом случае процесс называют силикатизацией, во втором - смолизацией.

При силикатизации также широко используют цементно-силикатные и глиносиликатные растворы в смеси с отвердителями.

В качестве отвердителей можно применять хлористый кальций, ортофосфорную, кремнефтористоводородную или щавелевую кислоту, алюминат натрия.

При смолизации используются водные растворы карбамидных смол с кислотными отвердителями.

Вид, концентрацию и рецептуру растворов выбирают в зависимости от физико-механических свойств грунтов и гидрогеологических условий закрепляемого участка.

Силикатизацию (двух- и однорастворную) и смолизацию можно использовать как способ постоянного закрепления грунтов оснований зданий и сооружений на весь период их эксплуатации. Эти способы эффективные в песчаных грунтах и трещиноватых скальных породах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут.

При двухрастворной силикатизации производят поочередное нагнетание через инъекторы силиката натрия (жидкого стекла) и раствора отвердителя (хлористого кальция).

Рис. 91. Вертикальный инъектор для закрепления грунтов

При однорастворной силикатизации одновременно нагнетают гелеобразующую смесь из раствора силиката натрия с отвердителем. По этой же технологии нагнетаются цементно-сили-катные и глиносиликатные растворы, состоящие из смеси цемента или бентонитовых глин, силиката натрия.

В песчаных и других слабых грунтах инъекторы погружают в грунт ударами пневматических молотков или дизель-молотов копровых установок. В гравелистых, трещиноватых скальных грунтах инъекторы погружают в предварительно пробуренные скважины.

Инъектор для вертикального инъектирования (рис. 91) представляет собой колонну стальных бесшовных труб 3. Нижняя часть инъектора состоит из конического наконечника 5 и участка цельнотянутой трубы 4, по периметру которой просверлены отверстия диаметром 3 мм, расположенные в шахматном порядке. От засорения грунтом отверстия защищены резиновыми клапанами. Верхняя труба имеет штуцер 2 для присоединения к нагнетательному шлангу и съемный наголовник / для восприятия ударов при погружении.

При проведении работ из забоя тоннеля применяются горизонтальные инъекторы, состоящие из манжетных колонн и тампонов. Манжетная колонна состоит из звеньев, труб, которые наращивают по мере бурения колонны или ее углубления в скважину. На каждом звене расположены прорези’с отверстиями, прикрытыми резиновыми манжетами. Первое звено манжетной колонны имеет наконечник для заглубления в грунт.

Тампон представляет собой две соединенные друг с другом трубы, имеющие в средней части отверстия для выхода раствора, прикрытые резиновой манжетой, а на концах разжимные клапаны, которые регулируют проникновение раствора в строго ограниченную зону инъекционной манжетной колонны. Тампон закрепляют на трубе, по которой подается инъекционный раствор в зону между двумя клапанами.

Нагнетание химических растворов ведут заходками, обеспечивающими монолитность закрепления грунта. Так, закрепление грунта с помощью вертикальных инъекторов ведут сверху вниз заходками на длину перфорированной части инъектора. На каждой заходке нагнетают раствор, в результате чего вокруг инъектора образуется столбчатый участок закрепленной породы (рис. 92). Иногда применяют нагнетание восходящими заходками, при котором инъектор сразу забивают на полную глубину, а затем поднимают вверх по мере нагнетания отдельными заходками. Для сплошного закрепления массива грунта инъекторы располагают в плане рядами в шахматном порядке. Радиус зоны закрепления породы вокруг одного инъектора зависит от коэффициента фильтрации грунтов и колеблется в пределах от 30 до 100 см.

При закреплении грунта в процессе проходки тоннеля глубина заходки может колебаться в пределах от 5-8 до 25-30 м в зависимости от гидрогеологических условий участка и длины пробуриваемых скважин.

Расстояние между инъекторами в ряду, а также расстояния между рядами инъекторов принимают в полтора раза (или несколько больше) превышающими радиус зоны закрепления грунта от одного инъектора.

Бурение скважин или задавливание инъекторов ведут при наличии впереди забоя целика закрепленного грунта или бетонной стенки, в которой устанавливают кондукторы для бурения скважин, установки инъекторов и в случае необходимости запорной арматуры, для предотвращения выброса водоносного грунта.

Инъекцию раствора выполняют следующим образом. Манжетную колонну устанавливают сразу на всю длину пробуренной скважины. Тампон закрепляют на трубе, по которой подается раствор, и вдвигают ее в манжетную колонну до конца последней. По мере продвижения тампона на нужную длину трубу наращивают. Среднюю часть тампона с отверстиями устанавливают строго против отверстий в манжетной колонне в тех местах, где надо делать инъекцию. Этим обеспечивается быстрота и качество работ по закреплению грунтов.

В ряде случаев применяют прямое инъецирование в грунт через инъекторы без применения манжетных колонн. Технология таких работ заключается в последовательной обработке зоны неустойчивых грунтов заходками по 3-5 м в направлении от забоя в глубь горного массива (рис. 93). Работу начинают с бурения скважин, установки инъекторов и закрепления грунта на первой заходке у бетонной стенки. Затем повторяют те же операции на следующей заходке, пока вся зона не будет закреплена.

Рис. 92. Схема расположения инъекторов в массиве закрепляемого грунта: а - при одиночной инъекции; б - при закреплении на глубину двух заходок

Рис. 93. Схема химического закрепления грунта при проходке горизонтальной выработки: а - подготовка тоннеля к производству закрепления грунтов; б - бурение скважин для закрепления первого (начального) участка зоны неустойчивых грунтов; в - проходка тоннеля по первому участку закрепленных грунтов; г - выход тоннеля из зоны закрепленных неустойчивых грунтов; 1 - тоннель; 2 - оборудование для химического закрепления грунтов; 3 и 6 - зоны устойчивых грунтов; 4 - бетонная предохранительная стенка; 5 - зона неустойчивых грунтов; 7, S - первый и второй участки зоны неустойчивых грунтов, закрепленные химическим способом; 9 - проходческое оборудование

Способы нагнетания растворов. Технологию процесса двухрастворной силикатизации выбирают в зависимости от скорости движения подземных вод: чем больше скорость, тем быстрее должны вступить в химическую реакцию нагнетаемые растворы, чтобы не произошло их вымывание.

При последовательном способе инъектор забивают на глубину первой заходки, нагнетают жидкое стекло, затем забивают его на глубину второй заходки и снова нагнетают тот же раствор, повторяя процесс до требуемой глубины. После этого инъектор извлекают, забивают на полную глубину другой инъектор и, постепенно извлекая его, нагнетают раствор хлористого кальция. Этот способ применяют при скоростях потока воды менее 1 м/сут.

При способе нагнетания по заходкам на глубину каждой за-ходки поочередно забивают и извлекают инъектор для жидкого стекла и инъектор для хлористого кальция. Этот способ применим при скоростях потока от 1 до 3 м/сут.

При одновременном способе нагнетания на каждую заходку забивают два инъектора на расстоянии 15-20 см один от другого и одновременно нагнетают в инъектор жидкое стекло, в другой-раствор хлористого кальция. Этот способ целесообразно применять при скоростях потока более 3 м/сут.

Однорастворную силикатизацию применяют для закрепления мелкозернистых и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5-2,0 м/сут. Гелеобразующую смесь готовят непосредственно перед нагнетанием путем смешивания в смесителе жидкого стекла с раствором отвердителей и сразу же с помощью насосов через инъектор нагнетают в грунт.

Смолизацию грунтов ведут по принципу однорастворной силикатизации. Рабочий раствор приготовляют непосредственно перед нагнетанием в такой последовательности: в отдельных баках готовят растворы смолы и отвердителя. Затем к раствору смолы добавляют отвердитель и после тщательного перемешивания смесь нагнетают в грунт через инъекторы. Время гелеобразования 1,5-4 ч.

При силикатизации и смолизации необходимо вести постоянный контроль качества исходных материалов и строго соблюдать подобранные лабораторным путем их количества при перемешивании. Качество выполненных работ проверяют путем забивки в разных местах контрольных инъекторов, через которые нагнетают воду для определения остаточного удельного водопоглощения закрепленных грунтов.

Не каждому человеку, мечтающему о постройке собственного дома, удается получить под застройку хороший участок. Чаще приходится строить там, где «отведут». При этом геологические свойства грунтов обычно неизвестны.

Газ с температурой 600 – 800 градусов подается в стальную трубу, погруженную в грунт. Прогрев происходит за счет циркуляции нагретого газа, подаваемого в трубу под давлением.

Электрический и электрохимический способы очень похожи и основаны на использовании электросмоса. В первом случае осушение происходит вследствие движения воды от одного полюса к другому.

Во втором дополнительно используют , делающие движение более быстрым и точным. Этот вариант более энергоемкий и затратный применяется для осушения пылеватых, водонасыщенных и илистых грунтов.

Механический способ имеет несколько разновидностей:

• вытрамбовывание котлованов;
• устройство грунтовых свай или подушек.

Вытрамбовывание котлована производят при помощи крана, на стреле которого подвешена тяжелая трамбовка. Этот способ несложен и не требует замены грунта основания.

Грунтовая подушка. Если слабый грунт имеет незначительную мощность, то его вынимают и заменяют более плотным, который лучше распределяет давление от фундамента. Этот замененный грунт носит название «подушка».

Грунтовые сваи . Сначала в почву забивают сваю-лидер. Затем ее вынимают и заполняют скважину грунтом, который послойно уплотняется.

При подготовке участка для индивидуального строительства чаще всего используют механические способы укрепления грунта, а также цементацию, силикатизацию и битумизацию в зависимости от результата проведенных геологических изысканий.

Для качественного проведения работ лучше использовать услуги специалистов, оснащенных необходимым оборудованием и материалами. Самостоятельное проведение таких работ не позволяет укрепить грунт на необходимую глубину.

Строительство новых зданий или реконструкция старых требуют надежного основания, чтобы они крепко держались и были безопасными, только вот грунт не всегда может обеспечить таковые условия, ведь он может быть и слабым. В этом случае его необходимо укреплять, а сделать это можно массой способов в зависимости от особенностей территории объектов, которые строятся.

Если грунт сухой и плотный, то сооружений зданий можно проводить без дополнительной подготовки – это стабильный грунт. Слабый, или нестабильный, грунт может потребовать осушения или уплотнения. Уплотнение грунта часто осуществляется такими альтернативными материалами, как дорожные плиты купить которые можно для обустройства как частного сектора, так и промышленных объектов.

Механический метод

В этом случае грунт укрепляют при помощи внедрения дополнительных элементов или материалов: свай, щебня, грунта и т.д. А для того, чтобы немного уплотнить структуру, могут воспользоваться трамбовкой и подобными операциями. Рассмотрим их особенности.

1. Укрепление с помощью железобетонных свай . Суть этого метода заключается, что свая проходит сквозь слой слабого грунта и достигает слоя более плотного, закрепляясь там, и тем самым укрепляя грунт. Чтобы устроить такое укрепление, используют несколько способов: так, сваю могут вдавливать специальной машиной, могут забивать в грунт, пробурив для этого отверстие или без него. Есть также вариант, когда в грунт погружается труба, а уже в нее потом заливается бетон. В любом случае, такой способ требует огромных усилий и немалой строительной площадки, используется, в основном, при строительстве крупных объектов.
2. Грунтовые сваи . Принцип и эффект сравним с предыдущим вариантом, только получается намного дешевле и более экологично. В общих чертах, принцип их создания выглядит так: бурится отверстие, в которое потом поэтапно засыпают наполнитель из разных фракций, периодически все это трамбуется. В итоге получаем надежно укрепленный грунт.
3. Если слой того грунта, который будет нужен, небольшой, то можно воспользоваться средствами трамбовки с помощью катков, виброплит и некоторыми другими устройствами. Если основа – пылеватый песок, то трамбовку проводят вместе с водой. Такой способ применим на таких объектах, как дороги, аэродромы и т.д. Если же грунт настолько слабый, что такой способ не поможет, то есть смысл извлечь его и заменить другим.

Цементация

Способ, который заслуживает внимания. Тут для того, чтобы сделать грунт крепче, в него добавляют раствор цемента, однако технологии могут отличаться:

• простая цементация , когда грунт просто перемешивается с цементным раствором: последний подают с помощью специального механизма, который вместе с тем сразу перемешивает грунт с раствором. Способ очень недорогой, часто применяется в тех районах, где грунты переувлажненные;
• струйная цементация – несколько усовершенствованный способ. Тут цементный раствор подается под большим напором специальным механизмом прямо в грунт. Под давлением образовывается отверстие и сразу идет смешение с цементом.

Оба эти способы отлично подходят даже в том случае, если здание уже построено , а грунт нужно укрепить. При этом работы проводятся практически бесшумно, а цемент для смешивания может подаваться как перпендикулярно поверхности, так и под углом.

Армирование

Армирование – это уже более современный метод, где укрепление производится с помощью полимерных конструкционных элементов. Способ подходит не только для ровных площадей, но и для наклонных, для укрепления склонов, берегов, при создании ландшафтов разного типа. Среди самых распространенных конструкций, которые используются, стоит отметить:

Укрепление по плоскости

Когда нужно построить объект, который сильно тянется в длину, то используют целую комбинацию способов, так как в разных точках состав и характеристики грунта могут сильно отличаться. Так, вместе с механическими методами распространено использование таких способов:добавление разных природных материалов : щебеня, грунта, глины, песка, суглинка и т.д. – в зависимости от характеристик основы. Перемешивание происходит в специальном устройстве, а в итоге мы получаем довольно экологичный способ стабилизации больших площадей;

Осушение грунтов

Часто для того, чтобы грунт стал намного плотнее и надежнее, достаточно просто удалить из него лишнюю воду, а это делается посредством использования определенных химических веществ или процессов:

Таким образом, в зависимости от того, какой объект будет находиться на участке со слабым грунтом, выбирается самый оптимальный способ его стабилизации.